Remoção de Nitrogênio

O nitrogênio presente nas águas residuárias geralmente se encontra sob as formas de nitrogênio amoniacal e nitrogênio orgânico. No tratamento biológico uma parte do nitrogênio orgânico passa para a forma amoníacal pela ação de microrganismos heterótrofos, o qual é assimilado como nutriente para o crescimento celular. No entanto, quando o nitrogênio está presente em excesso à quantidade necessária ao crescimento celular, este é liberado na forma de amônia e/ou despejado em conjunto com os efluentes, provocando a eutrofização.

NITRIFICAÇÃO

A nitrificação é promovida por microrganismos autótrofos que usam o CO2 como

fonte de carbono e quimiossintetizantes (litótrofos) que obtém energia a partir da oxidação da íon amônia, utilizando o oxigênio como aceptor final de elétrons. Este processo se dá em duas etapas sucessivas: a primeira a amônia é transformada em nitrito pela ação de bactérias denominadas Nitrozomonas; e na segunda o nitrito é transformado em nitrato pelas bactérias Nitrobacter. As equações abaixo representam as duas etapas do processo.

Primeira etapa:

NH4+ + 3/2 O2 NO2- + 2 H+ + H2O

Segunda etapa:

NO2- + 1/2 O2 NO3-

Soma das etapas:

NH4+ + 2 O2 NO3- + 2 H+ + H2O

Associando as equações de obtenção de energia acima com a de produção de biomassa, teremos a reação total como se segue:

NH4+ + 1,83 O2 + 1,98 HCO3- → 0,021 C5H7O2N + 0,98 NO3- + 1,041 H2O 1,88 H2CO3

Esta equação indica em primeiro lugar que é utilizado grandes quantidades de alcalinidade (HCO3-) durante a oxidação do nitrogênio amoniacal (NH4+), aproximadamente

8,63 mg HCO3-/ mg N- NH4+. A maior parte da alcalinidade será necessária para neutralizar

os íons de hidrogênio liberados durante a oxidação. Si não existir alcalinidade suficiente disponível, a nitrificação será afetada pela queda de pH. Além disso, o requerimento de oxigênio será de aproximadamente 4,18 mg O2/ mg N- NH4+ oxidado. No entanto, se fizermos

os cálculos somente pela nitrificação (equação da soma das etapas), sem a fração para o crescimento celular, a relação será de 4,57 mg O2/ mg N- NH4+ oxidado, valor este que é

usualmente empregado para cálculos de projeto.

Os processos de nitrificação podem ser classificados de acordo com o grau de separação existente entre a remoção de carbono e a oxidação de amônio a nitrato. Neste caso pode-se diferenciar entre tratamento em etapa única (processos combinados) e etapas separadas (processos diferenciados). Além disso, pode-se distinguir entre processos de cultura em suspensão e de película fixa. Os processos em suspensão são identicos ao de lodos ativados e os de película fixa aos filtros biológicos ou biodiscos. Qualquer processo poderá

ser executados em etapa única ou separadas, podendo haver combinação entre eles. Caso haja muita matéria orgânica no efluente, pode-se fazer um lodo ativado para remover a matéria orgânica, seguido de um biofiltro para converter a amônia.

Os microrganismos nitrificantes encontram-se em quase todos os sistemas de tratamento biológico aeróbios. No entanto, nestes sistemas onde há disponibilidade de matéria orgânica, a massa de micorganismos nitrificantes (autótrofos) produzida por unidade de substrato é inferior a dos microrganismos heterótrofos, promovendo um desequilíbrio na distribuição destas populações, prejudicando a nitrificação. Um fator de importância nestes sistemas é a relação DBO5/NTK, representada na Figura abaixo.

Quando a relação é maior que 5, o processo é dito combinado, e se for inferior a 3 o processo pode ser considerado em etapas separadas.

Como nos processo de remoção de matéria carbonácea, os processos de nitrificação possuem suas características próprias em função da temperatura e do pH do meio. As Figuras abaixo apresentam estas relações.

Algumas recomendações são feitas pela literatura para projeto e operação dos processos de nitrificação em suspensão:

• Manter um fator de segurança mínimo de 2 para o tempo de retenção celular afim de absorver sobrecargas sem que haja fuga do NH4+

• Manter o oxigênio dissolvido sempre acima de 2 mg/l

• Manter o pH na faixa de 7,8 a 9,0. Para isso, deve-se manter a alcalinidade em 7,14 mg CaCO3/l para cada mg/l de NH4+ oxidado

• Estimar a velocidade máxima de crescimento de microrganismos para as condições mais adversas em termos de pH, temperatura e oxigênio dissolvido

• Definir a concentração N- NH4+ oxidado admissível no efluente

• Estabelecer o tempo de retenção hidráulico necessário para alcançar a concentração de N- NH4+ definida

• Definir a taxa de utilização de substrato quando se emprega um processo de nitrificação combinado ou de etapa única

Enquanto que em processos de lodo suspensos o parâmetro de projeto está baseado na concentração de biomassa dentro do reator, através da recirculação dos lodos do decantador secundário, os processo de película fixa baseiam-se na área superficial disponível para o desenvolvimento do biofilme. Na realidade estes valores são empíricos e aplicados para os vários tipos de processos existentes. Um exemplo pode ser verificado na Figura abaixo, onde apresenta um gráfico da área superficial requerida em função da concentração de amônia no efluente, para uma dada concentração de entrada, e em função da temperatura. Maiores informações específicas de cada processo deve ser consultada a literatura.

DENITRIFICAÇÃO

A denitrificação é a conversão do íon nitrato a compostos gasosos, principalmente o nitrogênio por microrganismos anaeróbios que utilizam o nitrato como aceptor final de elétrons e necessitam de fonte de carbono orgânico (heterótrofos). Os principais microrganismos conhecidos que realizam a denitrificação são: Achronobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacilus, Brevibacterium, Flavobacterium, Lactobacilus, Pseudomonas e Spirilum. As reações são realizadas em etapas, convertendo primeiramente o nitrato a nitrito e depois em compostos gasosos como o NO e o N2O, que por sua vez são transformados em

nitrogênio gasoso. As etapas metabólicas deste processo são pouco conhecidas. NO3- → NO2- → NO → N2O → N2

Durante a denitrificação, alcalinidade é produzida pela degradação da matéria orgânica convertida a CO2, promovendo o aumento do pH do meio ficando na faixa ótima entre 7 e 8.

Como há necessidade de fonte de carbono, o processo deve ser operado de tal forma que haja ainda carbono suficiente, ou adicionar uma fonte externa, como por exemplo o metanol.

As velocidades de denitrificação reportadas na literatura variam entre 0,075 a 0,115 kg N-NO3-/kg SSV dia a 20oC, quando não ouver limitação de fonte de carbono.

PROCESSOS COMBINADOS PARA NITRIFICAÇÃO/DENITRIFICAÇÃO

Normalmente os processos de denitrificação são acoplados aos processos de nitrificação. Devem-se dispor os reatores para atender as necessidades de cada um separadamente. Existem vários de processos descritos na literatura, arranjados de tal forma que atenda a estas exigências dos processos. Um esquema simplificado do conceito de um processo de remoção de nitrogênio é apresentado abaixo.

Recirculação de líquido

Recirculação de lodo

Efluente

Anaeróbio _Aeróbio